KEKBアップグレードに向けてのビームバックグラウンドについて

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1 KEKBアップグレードに向けてのビームバックグラウンドについて
東北大学　修士１年 中野浩至 目次 KEKBアップグレード ビームバックグラウンド 研究内容 1/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

2 KEKBアップグレード 2/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

3 KEKB B中間子を作り、CP対称性の破れを検証。 昨年１２月積分ルミノシティ 達成！ １周３０１６m 8GeV 3.5GeV
昨年１２月積分ルミノシティ 　　達成！ (Since 1999) 8GeV 3.5GeV １周３０１６m 3/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

4 ビームを絞る！ 量を増やす！ Super KEKBへのアップグレード 標準理論を超える物理に迫るため 積分ルミノシティ を目指す!
積分ルミノシティ を目指す! の50倍！ ビームを絞る！ 量を増やす！ 衝突点ビームサイズ バンチ数 1500個/周 2500個/周 衝突頻度が上がり、ルミノシティが 現在の約４０倍に！ 4/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

5 アップグレード計画の予定 2010 2011 2012 2013 2014 IPビームパイプ の設計 First beam IPビームパイプ
組み立て 検出器 Physics run 5/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

6 ビームバックグラウンド 6/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

7 ビームバックグラウンド ビームが原因のバックグラウンド。 主な原因は３つ、 シンクロトロン放射で出てくるガンマ線
ビームパイプの残留ガスに散乱されたビーム粒子(ガス散乱) 「おしくらまんじゅう」してはじかれたビーム粒子(Touschek) これらのバックグラウンドによる 検出器への影響をシミュレーションで見積もる。 7/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

8 ビームパイプの残留ガスに散乱されたビーム粒子(ガス散乱)
8/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

9 「おしくらまんじゅう」してはじかれたビーム粒子(Touschek)
9/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

10 アップグレードによるBG量の変化 アップグレードすると散乱が数十倍に !? IP付近の真空が悪くなる ガス散乱のBG量が増加。
ビームを細く絞る　　　TouschekのBG量が増加。 アップグレードすると散乱が数十倍に !? 10/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

11 散乱された粒子の行方 これらの軌道から外れてしまった粒子は、 ビームパイプに衝突し、シャワーを生成する。
もし、検出器の近くでシャワーが起きると、 ノイズになってしまう。 11/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

12 研究内容 12/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

13 ビームパイプの設計 アップグレード 散乱が数十倍になると予想される。 できるだけバックグラウンドを抑えるような、
アップグレード　　　散乱が数十倍になると予想される。 できるだけバックグラウンドを抑えるような、 検出器付近のビームパイプを設計 設計 シミュレーション 担当 東大、東北大 理想的なビームパイプ 手順 KEKBのシミュレーション 現在はこの段階 実物と比較 Super KEKBのシミュレーション 13/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

14 シミュレーションの方法 散乱された粒子を乱数を用いて生成する ビームラインに沿って運ぶ (TURTLE)
検出器周辺をシミュレーションする (GEANT3 or 4) 拡大、断面図 4m 2cm Belle検出器 1層目のSVDに落とす エネルギーを調べる。 14/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

15 シミュレーションの内容 ガス散乱の Bremsstrahlung を例に、 Bremsstrahlung
KEKBのLERのシミュレーション結果 をいくつか紹介。 Bremsstrahlung エネルギーを失う E 散乱された粒子がどこに当たるのか シャワーの発生位置とSVDへの影響 磁石で「曲げられすぎ」てしまう マスクによる防御の効果 軌道を外れる 15/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

16 散乱された粒子が当たる位置 検出器付近で、散乱された粒子がどこに当たるのかを調べた hit数
hit位置[cm] hit数 衝突地点 「衝突点直前」と「衝突点後の磁石の後」の位置にhitしている。 16/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

17 シャワーの位置とSVDへの影響 どの位置にビームが当たることでSVDが影響を受けるかを調べた
hit位置[cm] 落としたエネルギー 衝突地点 衝突点直前で生じたシャワーがSVDに当たっている事がわかる 17/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

18 マスクの効果 散乱された粒子を止める為のマスクの働きを確かめた beam 可動マスク以前で散乱されたビームはSVDに影響しない マスクなし
3016m（1周） 1800 2800 　 beam マスク、２カ所 SVDに落ちたエネルギー量 SVDに落ちたエネルギー量 マスクなし マスクあり 散乱された位置 散乱された位置 可動マスク以前で散乱されたビームはSVDに影響しない 18/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

19 まとめと今後の課題 今後、 Super KEKBで生じるビームバックグラウンド の量を見積もり、ビームパイプの設計を進めていく。
ビームバックグラウンドの増加を抑える必要あり。 ビームパイプの形状を最適化 ビームバックグラウンドを見積もるため、 シミュレーションを行っている。 デバッグのため、現行KEKBのシミュレーションを行っている。 今後、 Super KEKBで生じるビームバックグラウンド の量を見積もり、ビームパイプの設計を進めていく。 19/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

20 ありがとうございました 20/２0 第１６回ICEPPシンポジウム　東北大学　中野浩至

21 予備 加速器について ビームの不安定性 アップグレードにおけるその他の課題

22 加速器について(1) 主に、２種類の磁石が使われている。 ２極磁石 ： 軌道を曲げる ４極磁石 ： 収束させる 軌道と垂直な方向の振動を、
　２極磁石　：　軌道を曲げる 　４極磁石　：　収束させる 軌道と垂直な方向の振動を、 ベータトロン振動という。

23 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

24 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

25 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

26 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

27 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

28 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

29 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

30 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

31 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

32 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

33 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

34 　ｘ収束、ｙ発散 　ｘ発散、ｙ収束

35 加速器について 加速管内の電場は振動しているため、通過すべきタイミング が決まっている。 加速 t 減速 KEKでは、３〜４皿おきに
ここで通過（「バケット」という） 加速 t 減速 皿 寿司 米 バケット バンチ 電子/陽電子 KEKでは、３〜４皿おきに ビームを乗せている。

36 ビームの不安定性 Wake field Wake (航跡) 電子雲、イオン化された残留ガス バンチが通過したあとに残る
という。 後続のバンチに影響。 Wake (航跡) 電子雲、イオン化された残留ガス ビームの通り道に集まってきて、 邪魔をする。

37 アップグレードにおけるその他の課題 検出器 シグナル、バックグラウンドともに増加。 「まぶしすぎて見えない」状態になる。
ピクセル検出器を用いる。 放射線損傷についても配慮する。 冷却 ナノサイズまでビームを絞る技術 などなど・・・

38 Back up

39 KEKB ビーム粒子（電子/陽電子） は群れ（バンチ）を成して 加速される。 １バンチあたりの電子/陽電子 1周あたりのバンチ数 交差回数
衝突数 B中間子生成

40 結果 Coulomb scattering SVDへの放射量.vs. 散乱された位置 のグラフ [m] 上：マスクなし 下：マスクあり
マスクより前で散乱された ビーム粒子はほとんど カットされている。 [m]

41 それぞれの散乱断面積 散乱され具合がゼロのとき、 断面積は発散する。 →範囲を指定する必要あり！ Coulomb散乱
シミュレーション範囲 散乱され具合がゼロのとき、 断面積は発散する。 →範囲を指定する必要あり！ これより散乱が小さければ、 悪さしないだろう。 Coulomb散乱 で 104 (barn) Bremsstrahlung で 3.3 (barn)

42 散乱の頻度 1 nTorr を仮定（10^-12 気圧）。 １）ビーム粒子が１周する間に散乱される回数 → σ * 10^-11 （回）
　→ σ * 10^-11　（回） ※ σ(barn) は Coul 104, brem 3.3 ２）１秒あたり、いくつのビーム粒子がまわってるか 　→ 10^19　（個） つまり、１秒あたり 10^10　回のCoulomb散乱 10^8　回のbremsstrahlung 　　（注）散乱の範囲によって断面積は大きく変わる。

43 残留ガスによる散乱 ２種類ある Coulomb 散乱 Bremsstrahlung エネルギーを失うと磁石で 「曲げられすぎ」てしまう
向きが変わる エネルギーを失う E 残留ガス エネルギーを失うと磁石で 「曲げられすぎ」てしまう 軌道を外れる

44 おしくらまんじゅうによる散乱 Touschek さんが見つけた。 Touschek エネルギーが余計にあるものは、磁石で曲げられにくい
エネルギーが増えるものと減るもの 　対で生じる E バンチ E エネルギーが余計にあるものは、磁石で曲げられにくい エネルギーが足りないものは、磁石で曲げられすぎる 軌道を外れる